Jedes Jahr produzieren die Menschen auf der ganzen Welt Milliarden von Tonnen fester Abfälle. Etwa 70 % dieser Abfälle landen auf Mülldeponien, wo sie langsam verrotten. Doch was wie eine träge Ansammlung nutzloser Abfälle aussieht, ist in Wirklichkeit ein komplexes Ökosystem, in dem es von mikrobiellen Aktivitäten nur so wimmelt. Riesige Gemeinschaften von Mikroorganismen ernähren sich von den Abfällen und wandeln sie in Nebenprodukte um – hauptsächlich Kohlendioxid (CO2) und Methan.
Während das meiste Deponiemethan aufgefangen und abgefackelt wird, hoffen die Forscher, diese Ressource nutzen zu können, die in Kraftstoffe, Strom oder zum Heizen von Häusern umgewandelt werden kann (siehe unten).
In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Applied and Environmental Microbiology veröffentlicht wurde, untersuchte der Hauptautor Mark Reynolds zusammen mit seinen Kollegen von der Arizona State University und der Industrial University die mikrobiellen Gemeinschaften, die im Sickerwasser, einer Flüssigkeit, die durch feste Abfälle in einer Mülldeponie sickert, gedeihen. Sie fanden heraus, dass sich die Zusammensetzung und das Verhalten bestimmter Mikroben, die in trockenen Deponien wie denen in Arizona zu finden sind, von ähnlichen Gemeinschaften in subtropischen oder gemäßigten Klimazonen unterscheiden. Die mikrobielle Zusammensetzung unterscheidet sich auch je nach Alter der Deponieablagerungen.
Das Projekt wurde auf der Salt-River-Deponie in Scottsdale in der Nähe des Campus der ASU in Tempe durchgeführt. Die Anlage nimmt täglich etwa 1.600 Tonnen feste Siedlungsabfälle auf.
Feste Abfälle: eine Aufschlüsselung
In der Studie wird die mikrobielle Zusammensetzung des Sickerwassers auf Ökosystemebene untersucht. Die unterschiedlichen Umweltbedingungen scheinen sich auf die mikrobiellen Nischen auszuwirken, die auf den 143 Hektar der Deponie verteilt sind.
„Ich stelle mir eine Mülldeponie wie ein großes Kohlenstoffbuffet für diese Mikroorganismen vor“, sagt Reynolds, ein Forscher im Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology. „Unsere Abfälle sind meist papierlastig und enthalten viel Zellulose und Hemizellulose. Diese sind unter anaeroben (sauerstofffreien) Bedingungen leicht abbaubar.
Die Erfassung und Nutzung der in Deponien entstehenden Gase kann dazu beitragen, die mit Deponieemissionen verbundenen Gefahren zu verringern und das Entweichen von Methan in die Atmosphäre zu verhindern. Darüber hinaus können Energieprojekte im Zusammenhang mit der Erfassung und Verarbeitung von Deponiegas Einnahmen generieren und Arbeitsplätze in der Gemeinde schaffen.
Durch ein besseres Verständnis des Verhaltens dieser methanproduzierenden Mikroorganismen hoffen die Forscher, die Erfassung dieser lebenswichtigen Ressource zu verbessern und möglicherweise das Entweichen von Methan und CO2 – zwei starke Treibhausgase und Hauptverursacher des Klimawandels – in die Atmosphäre zu begrenzen.
„Wir tauchen in die ökologische Theorie ein, um herauszufinden, was die Organisationsmuster der Methan produzierenden Organismen antreibt“, sagt Reynolds. Die vielschichtige Analyse der Studie zeigt, dass Temperatur und gelöste Feststoffe die beiden wichtigsten Parameter sind, die ihre Häufigkeit und Diversifizierung bestimmen. Das ist eine gute Nachricht, denn diese Daten werden auf Mülldeponien routinemäßig auf monatlicher Basis erfasst und können genaue Diagnosen liefern – verräterische Indikatoren für allgemeine Trends in der gesamten Methanproduktion.
Vom Müll zum Brennstoff
Mülldeponien für feste Siedlungsabfälle waren 2019 für über 15 % der Methanemissionen verantwortlich und damit die drittgrößte Quelle für weltweite Methanemissionen. Wie die Studie feststellt, entsprechen die Methanemissionen aus Mülldeponien dem Äquivalent von einer Milliarde Tonnen CO2, was in etwa den Treibhausgasemissionen von fast 22 Millionen Autos entspricht, die ein Jahr lang gefahren werden.
Normalerweise wird der größte Teil des von Mikroorganismen in einer Deponie freigesetzten Methans als Biogas aufgefangen und anschließend abgefackelt, wobei es in CO2 umgewandelt wird. Obwohl diese Methode die klimaschädlichen Auswirkungen des Methans selbst begrenzt, ist sie eine kurzfristige und unzureichende Lösung für das Problem der Treibhausgasemissionen aus Deponien.
Zusätzlich zu den negativen Auswirkungen auf das Klima stellt das verlorene Methan eine verpasste Gelegenheit dar, diese wertvolle Ressource zu nutzen. Die Studie schätzt, dass etwa ein Fünftel der nationalen Deponien für eine solche Erfassung und Verarbeitung geeignet wäre, wenn wirtschaftliche und andere Hürden überwunden werden können.
Derzeit erzeugen Mikroorganismen, die feste Siedlungsabfälle abbauen, Deponiegas, das zu etwa 50 % aus Methan und zu 50 % aus CO2 besteht. Durch das Verständnis der subtilen Arbeitsweise dieser Mikroorganismen – insbesondere der methanogenen Archaea, die die wahren Arbeitspferde im Methanproduktionszyklus sind – hoffen die Forscher, die Methanproduktion zu steigern.
Das vermehrte Methan kann geerntet und zur Erzeugung von Strom, kohlenstoffneutralen Brennstoffen oder zum Heizen von Häusern verwendet werden. Die letztgenannte Option ist besonders attraktiv, da keine weitere Verarbeitung des Methans erforderlich wäre. Alternativ könnte die Veränderung mikrobieller Gemeinschaften auch dazu genutzt werden, den Methanausstoß zu begrenzen, wenn dies erwünscht ist.
Auf der Jagd nach Archaeen
Mülldeponien bieten ein ideales Umfeld für die detaillierte Untersuchung von Archaeen, deren Kultivierung im Labor bekanntermaßen schwierig ist. Etwa 80 % der Archaeenvielfalt sind noch weitgehend unerforscht. „Unsere Labore sind wirklich an den Methanogenen interessiert, denn der gleiche Stoffwechsel wie in den Feuchtgebieten, die die größte Methanquelle darstellen, oder wie im menschlichen Magen-Darm-Trakt, findet auch in den Mülldeponien statt“, sagt Reynolds.
Da es sich bei den Methanogenen um primitive, einzellige Organismen handelt, können sie auch Pflanzen, Nahrungsmittel oder Papierprodukte verwerten. Die Studie ergab, dass die Methankonzentrationen auf der trockenen Deponie im Vergleich zu anderen Deponien ähnlich sind, dass aber unterschiedliche Gemeinschaften von Methanogenen die schwere Arbeit verrichten. Die Studie zeigt, dass das mikrobielle Verhalten auch vom Alter der abgelagerten festen Abfälle abhängt. Jüngere Abfälle weisen im Vergleich zu älteren eine höhere Temperatur auf und werden nach unterschiedlichen Regimen abgebaut. Es hat sich auch gezeigt, dass die Trockenheit den Abbau fester Abfälle im Laufe der Zeit stark beeinflusst.
„Es findet eine Umstrukturierung oder Reorganisation dieser Mikroben in trockenem Klima auf Deponien statt“, sagt Reynolds. Künftige Untersuchungen werden darauf abzielen, die Unterschiede in diesen Gemeinschaften im Vergleich zu ihren Pendants in gemäßigten und feuchten Klimazonen zu klären.
Weitere Forschungsarbeiten werden die mikrobiellen Gemeinschaften auf Deponien genauer untersuchen und auch den Einsatz von Biostimulanzien oder anderen Techniken, die zur Veränderung der Methanproduktion eingesetzt werden könnten.
Datum: April 15, 2022
Quelle: Arizona State University
Journal Reference:
- Mark C. Reynolds, Damien Finn, Analissa F. Sarno, Richard Allen, J. David Deathrage, Rosa Krajmalnik-Brown, Hinsby Cadillo-Quiroz. Delineating the Drivers and Functionality of Methanogenic Niches within an Arid Landfill. Applied and Environmental Microbiology, 2022; DOI: 10.1128/aem.02438-21